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高一年级物理知识点:经典力学的局限性

2022-07-02 13:59:25 浏览量:

  高一年级物理知识点:经典力学的局限性

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高一年级物理知识点:经典力学的局限性

  教学目标

  1、知识与技能

  (1)知道牛顿运动定律的适用范围;

  (2)了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用;

  (3)知道质量与速度的关系,知道高速运动中必须考虑速度随时。

  2、过程与方法:通过阅读课文体会一切科学都有自己的局限性,新的理论会不断完善和补充旧的理论,人类对科学的认识是无止境的。

  3、情感、态度与价值观:通过对牛顿力学适用范围的讨论,使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围,认识知识的变化性和无穷性,培养献身于科学的时代精神。

  教学重难点

  教学重点

  牛顿运动定律的适用范围。

  教学难点

  高速运动的物体,速度和质量之间的关系。

  教学过程

  新课导入

  自从17世纪以来,以牛顿定律为基础的经典力学不断发展,取得了巨大的成就,经典力学在科学研究和生产技术中有了广泛的应用,从而证明了牛顿运动定律的正确性.

  但是,经典力学也不是万能的,像其他科学一样,它也有一定的适用范围,有自己的局限性.那么经典力学在什么范围内适用呢?有怎样的局限性呢?这节课我们就来了解这方面的知识.

  一、经典力学及其局限性

  1.基本知识

  (1)从低速到高速

  ①经典力学的基础是牛顿运动定律,牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔区域,包括天体力学的研究中,经受了实践的检验,取得了巨大的成就.

  ②狭义相对论阐述物体以接近光的速度运动时所遵从的规律.

  ③在经典力学中,物体的质量是不变的,而狭义相对论指出,质量要随物体运动速度的增大而增大,即,两者在速度远小于光速的条件下是统一的.

  (2)从宏观到微观

  ①19世纪末20世纪初,物理学研究深入到微观世界,发现了电子、质子、中子等微观粒子,而且发现它们不仅具有粒子性,同时还具有波动性.20世纪20年代,量子力学建立,它能够正确地描述微观粒子运动的规律性,并在现代科学技术中发挥了重要作用.

  ②经典力学的适用范围,只适用于低速运动,不适用于高速运动;只适用于宏观世界,不适用于微观世界.

  (3)从弱引力到强引力

  ①1915年,爱因斯坦创立了广义相对论,这是一种新的时空与引力的理论.在强引力的情况下,牛顿引力理论不再适用.

  ②当物体的运动速度远小于光速c(3×108 m/s)时,相对论物理学与经典物理学的结论没有区别.

  2.思考判断

  (1)洲际导弹的速度有时可达到6 000 m/s,此速度在相对论中属于高速.(×)

  (2)质量是物体的固有属性,任何时候都不会变.(×)

  (3)对于高速运动的物体,它的质量随着速度的增加而变大.(√)

  探究交流

  (1)牛顿第二定律属经典力学理论,它在高速世界还适用吗?

  (2)相对论、量子力学否定了经典力学吗?

  【提示】

  (1)在高速世界中,物体的质量随着速度的增加而变大,物体的加速度不一定与它所受的外力成正比,牛顿第二定律不再适用.

  (2)相对论、量子力学没有否定经典力学,经典力学是相对论、量子力学在一定条件下的特例.

  二、速度对质量的影响

  【问题导思】

  1.低速、高速是如何界定的?

  2.物体在高速状态下,质量与速度是什么关系?

  3.速度对物理规律有什么影响?

  1.低速与高速的概念

  (1)低速:远小于光速的速度为低速,通常所见物体的运动,如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体的运动皆为低速运动.

  (2)高速:有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近,这样的速度称为高速.

  2.速度对质量的影响

  (1)在经典力学中,物体的质量不随速度而变.根据牛顿第二定律F=ma知,物体在力F作用下做匀变速运动,只要时间足够长,物体的运动速度就可以增加到甚至超过光速c.

  (2)爱因斯坦的狭义相对论指出,物体的质量随速度的增大而增大,即

  其中m0为物体静止时的质量,m是物体速度为v时的质量,c是真空中的光速.在高速运动时,质量的测量是与运动状态密切相关的.

  3.速度对物理规律的影响

  对于低速运动问题,一般用经典力学规律来处理.对于高速运动问题,经典力学已不再适用,需要用相对论知识来处理.

  1.狭义相对论中,物体在静止时质量最小,随着运动速度的增加,它的质量也在不断变大,对于高速运动物体,牛顿定律已不再适用.

  2.根据相对论的质速关系,若某物体的运动速度达到光速c,它的质量应是无穷大,这显然不符合事实,光速c是所有物体的最大速度.

  例:一个原来静止的电子,经电压加速后,获得的速度v=6×106 m/s.关于电子的质量的变化,下列说法正确的是(  )

  A.不变       B.减少

  C.增大了0.02% D.增大了0.2%

  【审题指导】 电子的速度6×106 m/s已接近光速,由爱因斯坦狭义相对论可知,电子的质量将有所增加,越接近光速越显著.

  【答案】 C

  误区警示

  物体的质量与速度的关系

  从爱因斯坦的相对论可知:物体的速度越大,它的质量就越大.当物体的速度远小于光速时,其质量的变化可以忽略;当物体的速度接近光速时,质量变化将很明显,其质量变化不可忽略.

  三、经典力学与相对论、量子力学的比较

  【问题导思】

  1.经典力学与量子力学的适用范围一样吗?

  2.在经典力学与相对论中,速度对质量有什么影响?

  3.经典力学与相对论、量子力学有什么联系?

  例:以下说法正确的是(  )

  A.经典力学理论普遍适用,大到天体,小到微观粒子均适用

  B.经典力学理论的成立具有一定的局限性

  C.在经典力学中,物体的质量不随运动状态的改变而改变

  D.相对论与量子力学否定了经典力学理论

  【答案】 BC

  四、光速不变原理的应用

  例:设某人在以速度0.5c飞行的飞船上打开一个光源,则下列说法正确的是(  )

  A.飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5c

  B.飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5c

  C.在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是0.5c

  D.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c

  【答案】 D

  规律总结

  1.光速不变原理:爱因斯坦的狭义相对论指出,在一切惯性参考系中,测量到的真空中的光速c都一样,即光在所有的惯性参考系中的传播速度均是光速.

  2.速度合成的关系式v船岸=v船水+v水岸只适用于低速运动的惯性参考系,对于接近光速的高速运动物体,该关系式已不再适用,此时应根据光速不变原理去解决问题.

  课后小结

  本节学习了经典力学的局限性:

  (1)从低速到高速:在经典力学中,物体的质量m是不随运动状态改变的,而狭义相对论指出,质量要随着物体的运动速度的增大而增大。即

  (2)从宏观到微观:相对论和量子力学的出现,并不说明经典力学失去了意义,只说明它有一定的适用范围:只适用于低速运动,不适用于高速运动;只适用于宏观世界,不适用于微观世界。

  (3)从弱引力到强引力:相对论物理学与经典物理学的结论没有区别.相对论与量子力学都没有否定过去的科学,而只是认为科学在一定条件下有其特殊性,经典力学只适用于弱引力,不适用于强引力。

  板书

  第六节 经典力学的局限性

  1、从低速到高速 经典力学只适用于低速运动

  2、从宏观到微观 经典力学只适用于宏观物体

  3、从弱引力到强引力 万有引力定律只适用于弱引力

 


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